直升机救助与落水逃生虚拟仿真实验 教学项目建设与实践

摘  要：为解决海上实际救助训练和培训基地直升机落水逃生训练风险大、训练成本高、培训效率低、安全保障性差等诸多问题，依托大连海事大学救助与打捞工程实验室先进的救助实践培训设备，结合当今先进的信息化技术，将两项实训课程转化为不受时间和空间限制的虚拟仿真实验教学项目，通过虚实结合、虚实互补，大力促进救捞领域人才培养，积极服务于我国海上交通运输安全需要。

关键词：直升机救助；直升机落水逃生；虚拟仿真实验

Construction and practice of virtual simulation experiment teaching project for helicopter rescue and underwater egress

XIONG Wei1,  PAN Tao1  

(1. College of Naval Architecture and Marine Engineering，Dalian Maritime University，Dalian 116026，China)

Abstract: In order to solve the problems of high risk, high training cost, low training efficiency and poor safety of helicopters in the actual rescue training and training bases at sea, relying on the advanced rescue training equipment of the Dalian Maritime University rescue and salvage engineering laboratory, In combination with today's advanced information technology, two training courses were transformed into virtual simulation experiment teaching projects that are not limited by time and space. Through the combination of virtual and real, virtual and real complementarity, we will vigorously promote the cultivation of talents in the salvage field and actively serve the safety needs of China's maritime transportation.

Key words: helicopter rescue; helicopter underwater egress; virtual simulation experiment

 

1. 虚拟仿真实验建设背景

救助与打捞工程专业是交通运输部救助打捞局与大连海事大学合作共建的国内首个救捞领域的专业，2011年获批进入教育部卓越工程师教育培养计划。 救助与打捞工程实验室依托最具行业特色的救助与打捞工程专业，拥有国内先进的救捞实验实践教学设备[1]。实验室的建设与救助打捞行业紧密结合，积极服务于我国海上交通运输安全需要，正成为我国救捞先进技术和行业标准推广的研究与应用示范基地[2]。

然而救助与打捞工程专业实践性教学环节具有其特殊性，开展实验性教学面临四个方面的难题：

（1）实验室的大型设备与特种设备多，造浪模拟水池、直升机救助训练模拟平台、直升机落水逃生模拟器等大型实验设备操作复杂，设备运行消耗成本大，每次上课之前都要花费较多的时间向学生讲解如何操作使用设备。但是通过开展虚拟仿真实验项目建设，坚持以突出问题为导向，重点解决了直升机救助高空训练和直升机落水逃生冬季低温训练，两者共同存在的夜间训练等涉及高危和极端环境训练，以及培训高成本、设备高消耗的大型综合训练等问题；

（2）救捞专业学生通过校企合作每年要奔赴烟台、上海、广州三地进行救捞专业方向实习，面临着耗费资金大、外出时间长、组织协调困难、存在不安全因素等，取得的实习效果较差。通过虚拟仿真实验的建立，使学生通过虚拟仿真平台便可方便、快捷、高效的了解救助领域前沿的技术与装备；

（3）救助任务、打捞作业案例各不相同，授课老师需要搜集很多的资料，讲解内容的操作性、灵活性、可迁移性都不够好，而且对于学生来说不够形象生动，不具有代表性，这样使得传统的课堂教学模式显得越来越力不从心。而虚拟仿真实验就是为教学而设计和使用的，目的是提高教学质量，其依托虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和网络通讯等技术，将教学实验形象生动的展示在学生面前，使学生身临其境，极大提升学生学习的兴趣和探索知识的动力；

（4）对于外界从事救捞相关工作的企事业单位、民间组织，要想去更深入的了解救捞的技术与装备却没有全面专业的网络在线学习平台。而虚拟仿真实验教学项目建设的核心工作就是共享优质的实验教学资源，通过建成直升机救助与落水逃生虚拟仿真教学资源，引导社会各界从事直升机运输、救助的相关行业人员选择使用该实验资源，使用后支付相应的在线学习费用，用以补偿项目开发和服务支出，最终形成良好的社会经济效益，使资源共享可持续发展[3]。

2 虚拟仿真实验项目简介

虚拟仿真实验是信息技术与实际操作深度融合的产物，极大地拓展了学生的学习资源和空间，特别适应现代的发展，丰富了学生学习模式[4]。特别是在直升机救助及直升机落水逃生这样的实践性培训项目，弥补了无法多次实际操作的弊端。基于上述问题，将虚拟仿真技术引入实验教学，基于虚拟仿真技术开发虚拟仿真系统，尤其对于真实实验平台无法开展的具有高危险性、大型综合的复杂系统以及模拟真实实验教学成本较高的系统都可以有效解决当前实验教学中所面临的困难[5]。这样的实验教学方法，开创了线上线下教学相结合的个性化、智能化、形象化的救助训练和逃生培训模拟，使学生更容易了解直升机救助和水下逃生的过程以及步骤，提高学生实际操作的技能。

2.1 直升机救助训练存在问题

随着世界航运事业和海洋渔业的不断发展，海洋上运行的船舶数量越来越多，随之而来的航运事故也越来越多，直升机救助作为在海运事故中反应最迅速，效率最高的救助方式，其存在与发展有着极其重要的作用。而在实际情况中，直升机救助实验费用昂贵，安全性得不到保障，日常的频繁使用对直升机救助训练模拟器的机体和绞车系统都有累积的不同程度损伤，并且实际的救助训练对于初次参与经验不足的救生员和绞车手具有一定的危险性，同时对于高校学生来说，直升机救助实验更是可望而不可及。

2.2 直升机落水逃生训练存在问题

随着国家海洋战略的实施，海上应急保障任务变得更加艰巨，直升机海上救助、巡逻、运输、军事任务逐渐增多。当前低空飞行逐步开放，截止2017年8月，中国大陆地区民用直升机达705架，较上年增长21%[6]。然而直升机事故率较高，在水面发生事故后更容易下沉翻转，使机上乘员不能迅速逃生而溺亡[7]。为保障直升机乘员安全，急需进行直升机水下逃生的理论研究和训练实践。然而国内直升机模拟逃生设备稀少，且培训费用昂贵，难以大批量培训人员，导致救助直升机人员的培训效率低，培训成本高。

2.3 虚拟仿真实验开发必要性

基于上述直升机救助与落水逃生两项重要的实验，大连海事大学在国家科研项目资助下，研发了国内先进的直升机救助训练模拟器和直升机落水逃生训练模拟器，这些实验设备虽然能够满足实验功能要求，但数量远远不能满足国内众多对直升机救助、落水逃生感兴趣人员的需求。为此，我们将科研成果进行虚拟化，通过网络平台线上开发直升机救助与落水逃生虚拟仿真实验项目，目的就是将将直升机救助与落水逃生训练相关实验共享给全国高校学生、企事业单位以及民间组织从事直升机海上救助与运输作业的相关人员，让他们能够直观形象的感受直升机救助和落水逃生的过程。

通过开发直升机救助与落水逃生虚拟仿真实验，使得学生初步了解直升机救助的相关步骤与操作方法；熟悉直升机救助的装备，包括救援套以及个人防护装备等；使无经验学员体验直升机空中救助，对海上救助飞行队的工作有一定的认识；了解直升机水下逃生训练的重要性；了解直升机水下逃生训练的过程，包括入水体验，正舱位逃生体验，翻转舱位逃生体验，掌握水下逃生的步骤；提高培训人员应对直升机落水突发事件的应急处置能力，为学员从事海上救助活动、海洋平台相关工作提供安全保障。

3 虚拟仿真实验建设方法

3.1 虚拟仿真实验系统模块

在直升机救助与落水逃生虚拟仿真平台上，虚拟仿真实验教学共设置了学习和考核两个系统，学习系统是学生在电脑屏幕文字、画面等提示帮助下，通过人机交互学习完成整个训练过程。该系统为学生展示了直升机救助和直升机落水逃生训练的每一个具体操作步骤，每一步操作都有文字和角色高亮提示，重点操作步骤还有语音提示，当学生实验过程中出现难点问题时，可以查看“帮助”，里面有常见问题的解决方法，也可切换至“演示”系统观看正确的操作视频；考核系统是学生在电脑操作界面无任何文字提示下进行实验操作，考核结束后系统自动给出分数。学生先进行理论课程学习，完成学习模块后，方可取得考核资格，每一步实验操作没有任何提示，系统自动规范学生的操作，对不符合操作流程的动作进行纠错和减分[8]。

直升机救助虚拟仿真实验分为学习模式和考核模式，结合真实的直升机救助训练中的人员分工，在两种模式下又各自可以选择绞车手以及救生员的训练和考核。其中“绞车手”角色在日常救助中主要负责操作绞车系统，来控制钢索的收放使救生员完成救助任务，同时向直升机飞机员传达飞行指令控制飞机精确进退救助现场；“救生员”角色主要负责采取不同的救助方式将遇险人员安全救助返回直升机。作为救助与打捞工程专业领域首个申报的虚拟仿真实验教学项目，前期先进行线上测试学生使用反馈情况和实际教学效果，对于直升机救助虚拟仿真实验目前仅开发了“单套吊运”和“双套吊运”两种救助方式，根据后续学生体验的效果，可进一步增加“高绳吊运”、“担架吊运”等救助方式，完整还原真实直升机救助的所有方式，使得学生能够全面学习到直升机救助的训练科目，对于救捞专业课程《救助工程》中的理论知识有更加直观、形象、深入的理解和掌握。

实际的直升机救助训练与直升机救助虚拟仿真实验（见图1）。

图1 直升机救助训练和直升机救助虚拟仿真实验

直升机落水逃生虚拟仿真实验也分为学习模式和考核模式，两种模式下都包含三个训练科目：直升机落水逃生模拟器入水体验、入水逃生训练和翻转逃生训练。入水体验设定目的是使首次参加训练的学员感受训练场地的水温，在浅水区练习水中憋气和应急呼吸气瓶的使用，适应在逃生训练舱中入水后被水淹没的感觉和口鼻进水的不适感，为后续的逃生体验奠定训练基础；入水逃生训练是为了训练学员体验训练舱沉入水中的过程中，被水淹没的场景下正确判断出口位置，迅速解开安全带，从最近出口逃生的能力；翻转逃生体验训练是为了还原真实情况下直升机由于重心高，落水易翻转，学员体验训练舱翻转180°条件下，克服体位倒置的不适感，准确判断逃生出口位置，迅速解开安全带从合理出口逃生的位置。

学生以培训学员的身份在屏幕上操作实验，在入水体验科目中，学生通过键盘和鼠标按键操控人物角色进入训练水池中，首先通过屏幕提示按钮进行水下憋气训练，随后选择正确入口进入直升机逃生模拟器内并选择正确座椅坐下，先点击画面中的安全带练习系上和解开安全带，接下来点击模拟器舱门，学员会一只手把住门板作为逃生出口参考位置，另一只手放在安全带的扣处。随后在学习模式中根据屏幕文字提示操作其它人物角色，如教练员和吊机操作员开始训练，学生通过电脑屏幕前弹出按钮点击人物角色在水面淹没胸部之前进行憋气。在后续的模拟器正舱位和翻转舱位的逃生训练科目中，学生等待模拟器运动停止后，屏幕会弹出倒计时5秒的操作，学生根据提示选择逃生出口并解开安全带游出模拟舱，则完成直升机落水逃生训练虚拟仿真实验。

实际的直升机水下逃生训练与直升机落水逃生虚拟仿真实验（见图2）。

图2 直升机水下逃生和落水逃生虚拟仿真实验

3.2 虚拟仿真实验网络架构

直升机救助与落水逃生虚拟仿真实验项目的开放运行依托于开放式虚拟仿真实验教学管理平台的支撑，二者通过数据接口无缝对接，保证用户能够随时随地的通过浏览器访问该项目[9]。并通过平台提供的面向用户的智能指导、自动批改服务功能，尽可能帮助用户实现自主的实验，加强实验项目的开放服务能力，提升开放服务效果。

开放式虚拟仿真实验教学管理平台以计算机仿真技术、多媒体技术和网络技术为依托[10]。采用面向服务的软件架构开发，集实物仿真、创新设计、智能指导、虚拟实验结果自动批改和教学管理于一体，是具有良好自主性、交互性和可扩展性的虚拟实验教学平台（见图3）。

该虚拟仿真实验平台可支持近百名学生同时在线访问，如果单个实验被占用，则提示后面进行在线等待，等待前面预约实验结束后，进入下一个预约队列[11]。主要采用的网络架构为B/S架构，计算机操作系统和版本要求为Windows7及以上，用户使用时需要下载专门的插件，因此信息安全性较高。虚拟仿真实验系统开发主要是多媒体资源制作和软件编程两部分工作[12]。采用3D仿真开发技术和Unity3d、3DMax、Maya、Visual Studio、Photoshop等开发工具构建了交互式虚拟仿真实验使用平台，网站平台采用JAVA开发语言、Eclipse开发工具以及MySQL数据库构建集成化管理模式，使得客户端可以通过浏览器高效快捷的访问虚拟仿真实验平台[13]。

图3 虚拟仿真系统总体架构图

4 虚拟仿真实验特色创新

由于在实际的直升机救助和水下逃生训练过程中，缺乏专业的培训人员，加上设备的频繁使用对其性能造成严重的损耗，使得训练和维护成本提高，并且实际训练场地缺乏足够的安全保障。为了使实验更加安全可靠，并以较低的培训成本让学员掌握直升机救助和水下逃生技能。项目通过三维仿真技术，再现了直升机救助过程，还原从救助吊运前救助机组人员的准备工作，绞车手操纵下放救生员至水面，给待救人员装备，到起吊返回机舱的全过程。同时再现了直升机落水的真实场景，还原了直升机在正舱位和翻转时人员进行逃生训练的全过程。

虚拟仿真实验让学员了解直升机救助的步骤，学习在单套、双套救助科目中，绞车手、救生员应该采取的行动步骤以及相关的动作要领，从而使得学员在实际训练之前熟悉训练流程，了解所需装备。切身体验直升机水下正舱位和翻转舱位的逃生过程,了解各种逃生设备的工作原理、使用方法，掌握必要的海上求生技能。项目解决了大量学员不能现场实践的问题，为学员提供了了解单套，双套两种救助方式步骤和相关装备使用方法的机会，同时也为学员提供了水下逃离直升机舱的体验机会。

该项目采用线下与线上结合的方式进行。线下主要由学员根据教师要求进行仿真练习，熟悉整套仿真系统的使用方法及步骤，而线上主要由专业教师进行集中教学管理、资源管理、考核管理等[14]。项目已应用到救助与打捞工程专业本科生和研究生，以及交通运输部救助飞行队、金汇通航、蓝天救援队等单位，每年节省数百万的培训费用，降低了学员在实际培训过程中发生安全事故的风险。

5 结语

直升机救助与落水逃生虚拟仿真实验项目依托于交通运输部救助打捞局开展的救捞专业领域人才培养和培训基地建设计划，以培养掌握先进的救捞技术及专业技能的高级工程技术人才，借助先进的虚拟现实技术与计算机网络通信技术等现代信息化技术，开发共享出多元化的虚拟仿真教学资源，通过网络智能化的网站平台管理，该实验项目未来将在促进救捞专业人才培养、科技研发和成果转化，应对重大海上突发事件的需要，积极适应国家战略的要求，为建设交通强国和海洋强国助力。

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